超聲波傳感器原理講述

10.1超聲波及其物理性質(zhì)

10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器返回主目錄1超聲波傳感器超聲波及其物理性質(zhì)

振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng),簡(jiǎn)稱波。頻率在16~2×104Hz之間,能為人耳所聞的機(jī)械波,稱為聲波;低于16Hz的機(jī)械波,稱為次聲波;高于2×104Hz的機(jī)械波,稱為超聲波。如圖10-1。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí),由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同,在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。

一、超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換

由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同,聲波的波型也不同。通常有:①縱波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波;②橫波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波;③表面波——質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播,表面波隨深度增加衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量,應(yīng)多采用縱波?？v波、橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度,氣體中聲速為344m/s,液體中聲速在900~1900m/s。

當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí),除有縱波的反射、折射外,還發(fā)生橫波的反射和折射,在某種情況下,還能產(chǎn)生表面波。

二、超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì),在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過界面,在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射,如圖10-2所示。

由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí),入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí),入射角α的正弦與折射角的正弦之比,等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比,即

三、超聲波的衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減,其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為

Px=P0e-αx

（10-2）

Ix=I0e-2αx

（10-3）式中:Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng);x——聲波與聲源間的距離;α——衰減系數(shù),單位為Np/m（奈培/米）。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收,在理想介質(zhì)中,聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散,即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的,介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。2超聲波傳感器

利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,而以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷,這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的:逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而利用正壓電效應(yīng),將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),可用為接收探頭。

超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10-3所示,主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。壓電晶片多為圓板形,厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層,作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì),吸收聲能量。如果沒有阻尼塊,當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí),晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩,加長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度,使分辨率變差。3超聲波傳感器的應(yīng)用

一、超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開始,到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知,就可以求出分界面的位置,利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能,傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器,而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。

圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置水中,讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)生的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方,讓超聲波在空氣中傳播,這種方式便于安裝和維修,但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。對(duì)于單換能器來說,超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器的時(shí)間為式中:h——換能器距液面的距離;v——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對(duì)于雙換能器來說,超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s,而

s=（10-6）因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2

（10-7）式中:s——超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離;a——兩換能器間距之半。

從以上公式中可以看出,只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間,便可以求得待測(cè)的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下,它的測(cè)量誤差為±0.1%,檢測(cè)物位的范圍為10-2～104m。

二、超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測(cè)定原理是多樣的,如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。超聲波在流體中傳輸時(shí),在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的,利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度,再根據(jù)管道流體的截面積,便可知道流體的流量。

如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器,它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波,一個(gè)裝在上游,一個(gè)裝在下游,其距離為L(zhǎng)。如圖10-5所示。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1,逆流方向的傳輸時(shí)間為t2,流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c,流體流動(dòng)速度為v,則

t1=（10-8）

t2=（10-9）

一般來說,流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度,那么超聲波傳播時(shí)間差為

Δt=t2-t1=（10-10）由于cv,從上式便可得到流體的流速,即

v=（10-11）在實(shí)際應(yīng)用中,超聲波傳感器安裝在管道的外部,從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響,如圖10-6所示。

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn),可測(cè)流體種類很多,不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體、漿狀流體,只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來對(duì)自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測(cè)量。第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制第三節(jié)活塞式空壓機(jī)的管理復(fù)習(xí)思考題單擊此處輸入你的副標(biāo)題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請(qǐng)盡量言簡(jiǎn)意賅的闡述觀點(diǎn)。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應(yīng)用：

1.主機(jī)的啟動(dòng)、換向；

2.輔機(jī)的啟動(dòng)；

3.為氣動(dòng)裝置提供氣源；

4.為氣動(dòng)工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時(shí)間內(nèi)所排送的相當(dāng)?shù)谝患?jí)吸氣狀態(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor空壓機(jī)分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理容積式壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式兩級(jí)活塞式壓縮機(jī)單級(jí)活塞壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)最長(zhǎng)的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動(dòng)件少（軸承與滑片），潤(rùn)滑油在機(jī)件間形成保護(hù)膜，防止磨損及泄漏，使空壓機(jī)能夠安靜有效運(yùn)作；平時(shí)有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機(jī)，至今使用十萬小時(shí)以上，依然完好如初，按十萬小時(shí)相當(dāng)于每日以十小時(shí)運(yùn)作計(jì)算，可長(zhǎng)達(dá)33年之久。因此，將滑片式空壓機(jī)比喻為一部終身機(jī)器實(shí)不為過?；?葉)片式空壓機(jī)可以365天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保證60000小時(shí)以上安全運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣壓縮機(jī)1.進(jìn)氣2.開始?jí)嚎s3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。1.進(jìn)氣2.開始?jí)嚎s3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機(jī)是世界上最先進(jìn)、緊湊型、堅(jiān)實(shí)、運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)：

A

進(jìn)氣過濾器

B

空氣進(jìn)氣閥

C

壓縮機(jī)主機(jī)

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動(dòng)疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機(jī)

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)是20世紀(jì)90年代末期開發(fā)并問世的高科技?jí)嚎s機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長(zhǎng)壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機(jī)，已經(jīng)得到壓縮機(jī)行業(yè)的關(guān)注和公認(rèn)。被譽(yù)為“環(huán)保型壓縮機(jī)”。由于渦旋式壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其成為當(dāng)今世界最節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長(zhǎng)，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。

由于渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、工作環(huán)境安靜，又被譽(yù)為“超靜壓縮機(jī)”。

渦旋式壓縮機(jī)零部件少，只有四個(gè)運(yùn)動(dòng)部件,壓縮機(jī)工作腔由相運(yùn)動(dòng)渦卷付形成多個(gè)相互封閉的鐮形工作腔，當(dāng)動(dòng)渦卷作平動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使鐮形工作腔由大變小而達(dá)到壓縮和排出壓縮空氣的目的?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)的外形第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強(qiáng)對(duì)氣缸的冷卻，省功、對(duì)氣缸潤(rùn)滑有益。二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）1.不存在假設(shè)條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—?dú)埓娴臍怏w在活塞回行時(shí)，發(fā)生膨脹，使實(shí)際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動(dòng)發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對(duì)容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3）吸氣預(yù)熱的影響由于壓縮過程中機(jī)件吸熱，所以在吸氣過程中，機(jī)件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預(yù)熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強(qiáng)對(duì)氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理4）漏泄的影響內(nèi)漏：排氣閥（回漏）；外漏：吸氣閥、活塞環(huán)、氣缸墊。漏泄損失用氣密系數(shù)λl來衡量（0.90-0.98）。保證措施：氣閥的嚴(yán)密閉合，氣缸與活塞、氣缸與缸蓋等部件的嚴(yán)密配合。5）氣體流動(dòng)慣性的影響當(dāng)吸氣管中的氣流慣性方向與活塞吸氣行程相反時(shí)，造成氣缸壓力較低，氣體比容增大，吸氣量下降。保證措施：合理的設(shè)計(jì)進(jìn)氣管長(zhǎng)度，不得隨意增減進(jìn)氣管的長(zhǎng)度，保證濾器的清潔。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理上述五條原因使實(shí)際與理論循環(huán)不同。4）漏泄的影響5）氣體流動(dòng)慣性的影響1）余隙容積Vc的影響2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響3）吸氣預(yù)熱的影響2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3.排氣量和輸氣系數(shù)理論排氣量Vt----單位時(shí)間內(nèi)活塞所掃過的氣缸容積。實(shí)際排氣量Q：Q=Vt

λ輸氣系數(shù)λ

：λ＝λtλv

λ

pλl漏泄的影響余隙容積Vc的影響進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣預(yù)熱的影響二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理指示功率pi